Metodika identifikace zemních proudů v soustavách vn a způsoby jejích omezení Ing. Mečislav Hudeczek, Ph.D. HUDECZEK SERVICE, s. r. o. Albrechtice
1.
ÚVOD
Základem pro bezpečné provozování elektrické sítě je výpočet zkratových proudů při jednopólovém, dvojpólovém a třípólovém spojení se zemi a na základě znalosti hodnot zkratových proudů nastavení příslušné ochrany tak, aby vypínala ve velmi krátkých časech a s požadovanou selektivitou vypnutí poškozeného místa. Určení a nastavení příslušných ochran v sítích TN tak, aby chránily před nebezpečným dotykovým napětím neživých částí elektrického zařízení a taktéž proti tepelným a dynamickým účinkům zkratových proudů je velmi dobře zvládnuté v technické praxi a taktéž ve většině případů realizované na základě výpočtů. V sítích IT a to nad 1000 V jsou problémy zkratových proudů dvoufázových a třífázových perfektně zvládnuty. Problém nastává u jednopólového zemního spojení a to u všech druhů možných spojení uzlu transformátoru proti zemi. V technické praxi rozlišujeme podle způsobu spojení uzlu transformátoru se zemí níže uvedené soustavy:
Soustava s izolovaným nulovým bodem, Soustava s přímo uzemněným nulovým bodem, Soustava s nepřímo uzemněným nulovým bodem a to přes tlumivku, Soustava s nepřímo uzemněným nulovým bodem a to přes odpor, Soustava s nepřímo uzemněným nulovým bodem a to přes Bauchův transformátor. Poruchové spojení jednotlivých elektrických sítí bude posuzováno s těchto hledisek:
Stanovení cesty toku poruchového proudu při jednopólovém zemním spojení včetně dvojpólového a třípólového,
Stanovení hodnoty poruchového proudu, Určení místa a omezení hodnoty poruchového proudu, Ochrana před nebezpečným dotykovým napětím, Ochrana před tepelnými a dynamickými účinky poruchových proudů. Úkolem toho referátu je poukázat na jednotlivé druhy soustav, členěných dle způsobu spojení uzlu transformátoru se zemí a stanovit u všech jejich výhody a nevýhody při poruchovém zemním spojení.
2.
SOUSTAVA S IZOLOVANÝM NULOVÝM BODEM
Soustava s izolovaným nulovým bodem je charakterizována tím, že nulový bod napájecího transformátoru je odizolovaný od zemně. Veškeré neživé části elektrických zařízení jsou přímo uzemněny do země nebo je veden společný uzemňovací vodič, na který jsou vodivě spojeny veškeré neživé části elektrické soustavy a samotný uzemňovací vodič je uzemněn v jednom nebo více místech. V různých prostředích jsou nařízeny různé hodnoty odporu uzemnění. Totéž platí o trvalé kontrole izolačního stavu elektrické sítě a jejího vypnutí při poklesu izolačního stavu pod určitou mez. Vypnutí dvojpólových a třípólových spojení z hlediska času odpojení poškozeného místa je také závislé na prostředí a napětí.
2.1
Stanovení cesty toku poruchového proudu při jednopólovém zemním spojení včetně dvojpólového a třípólového v izolované soustavě
Na obrázku č.2.1 je nakreslená symetrická izolovaná soustava v ustáleném stavu. Každý s krajních vadičů má vůči zemi kapacitu a odpory, které charakterizují izolační stav soustavy. Při této konfiguraci, symetrii a dobrém izolačním stavu sítě netečou vůči zemi téměř žádné proudy. Na obrázku č.2.2 je izolovaná soustav a při jednopólovém zemním spojení ve fázi L3. Tok proudu v soustavě je označen čárkovaně - červeně a taktéž modrými šipkami. Poruchový kapacitní proud teče do místa jednopólového spojení se zemi, dále dvěma nepoškozenými fázemi L1 a L2 do zdroje transformátoru a následně poškozeným fázovým vodičem do místa spojení. Tím je uzavřen proudový obvod a lze dále
vyšetřovat působení poruchového proudu. SOUSTAVA 3, PE, 6000 V, 50Hz, IT
C3
C2
C1
SOUSTAVA 3, PE, 6000 V, 50Hz, IT
L1
L2
L3
L3
R3 R2 R1
C3
Obrázek č.2.1: Symetrická izolovaná soustava v ustáleném stavu
2.2
L1
L2
C2
C1
R3 R2 R1
Obrázek č.2.2: Jednopólové zemní spojení v symetrické izolované soustavě
Stanovení hodnoty poruchového proudu v izolované soustavě
Zemním proudem se rozumí proud, který prochází místem zemního spojení při uzemnění vodiče jedné fáze elektrické soustavy s izolovanou nulou. Opět je nutné rozlišovat mezi souměrným a nesouměrným uspořádáním vodičů vedení. U 3 = 0 a pro potenciál uzlu 0 rovnice
U 0 = −U 3 f
Náboje jednotlivých vodičů při zemním spojení jsou pak určeny fázory
2 SOUSTAVA 3, PE, 6000 V, 50Hz, IT ,
k 0
L1
,
k
L2
,
k
U2f
L3
U23 k
k
k
0 U0 U3f
U1f 1
Obrázek č.2.3: Symetrická izolovaná soustava při jednopólovém zemním spojení
3
U13
Obrázek č.2.4: Fázový diagram při jednopólovém zemním spojení
Souměrné uspořádání vodičů u třívodičového kabelu nebo krouceného vrchního vedení vykazuje pouze dvě různé dílčí kapacity k a k´ (obr. 2.3.). O napěťovém systému zdroje předpokládáme, že je souměrný (obr. 2.4.). Spojí-li se fáze 3 se zemí, bude její potenciál roven nule, takže napětí ostatních dvou zdravých fází proti zemi stoupne na hodnotu napětí sdruženého. Pro fázory kapacitních proudů a jejich součet platí vztah 3
3
k =1
k =1
Σ I ck = jω Σ Qk = 0
(
)
Q1 = kU 2 + k , (U1 − U 2 ) + k , (U1 − U 3 ) = k + 2k , U1 + k ,U 2 U 2 = U 23 = U 2 f − U 3 f
(
)
(
)
Q1 = kU 2 + k , (U1 − U 2 ) + k , (U1 − U 3 ) = k + 2k , U1 + k ,U 2 Q2 = kU 2 + k , (U 2 − U1 ) + k , (U 2 − U 3 ) = k + 2k , U 2 + k ,U1 Q3 = kU 3 + k (U 3 − U1 ) + k (U 3 − U 2 ) = k (U1 + U 2 ) ,
,
,
a pro zdroj v zemi platí rovnice Q 0 = −(Q1 + Q 2 + Q3 ) = −k (U1 + U 2 ) = −k (U1f + U 2f − 2U 3f ) = 3kU 3f Pro fázory kapacitních proudů a jejich součet platí vztah 3
3
k =1
k =1
Σ I ck = jω Σ Q k = 0
SOUSTAVA 3, PE, 6000 V, 50Hz, IT
Ic 12
,
Ic 10 Ic 23
k
Ic 12
Ic 31
L2
,
Ic 20 Ic 31
Ic 1
Ic 10
Ic 31 Ic 23
1
L1
k
Ic 12
Ic 10
Ic 20
,
k
L3
Ic 0
k
k,
k,
Ic 0
k
k
k
Ic 0
Ic 20
k
Ic 3 Ic 23
3
0
Ic 0
Obrázek č.2.5.: Kapacitní proudy
k,
Ic 2
2
Obrázek č.2.6.: Fázory kapacitních proudů
Pro kapacitní poměry na vedení se zemním spojením lze kreslit kapacitní schéma (obr. 2.5.), v němž platí pro jednotlivé kapacitní proudy (obr. 2.6.) rovnice
I c1 = I c10 + I c12 − I c 31 I c 2 = I c 20 + I c 23 − I c12 I c 3 = I c31 − I c 23 I c0 = Ic 0 3
takže jejich součet
∑I k =0
čili
ck
= I c 0 + I c10 − I c 20 = 0
− I c 0 = I c10 + I c 20
přičemž
I c10 = jωkU1I c 20 + I c 20 = jωkU 2
Takže zemní proud
I c 0 = − jωk (U1 + U 2 ) = 3 jωkU 30
Jak je zřejmé, že fázor zemního proudu předbíhá o 90o fázor napětí uzemněné fáze 3 a má hodnotu rovnou trojnásobku nabíjecího proudu vedení. Nabíjecí výkon vedení s izolovanou nulou je při jednopólovém zemním (kovovém) spojení dán celkovou kapacitou vedení, které je připojeno na sdružené napětí Us, tj.
(
)
Pc = U s ( I c10 + I c 20 + I c 23 + I c12 + I c 31 kde však I c10 = I c 20 = ωkU s I c12 + I c 23 + I c 31 = ω´k ,U s takže nabíjecí výkon Pc = ω 2k + 3k , U s2 kdežto
při normálním (bezporuchovém) chodu soustavy. Při zemním spojení je tedy nabíjecí výkon vedení větší.
2.3
Určení místa a omezení hodnoty poruchového proudu v izolované soustavě
2.3.1
Určení místa poruchového proudu pomocí nulové napěťové složky U0 v izolované soustavě
Pro určení vzniku zemního spojení bez bližšího určení místa postačí v podstatě napěťová ochrana, která měří napětí uzlu proti zemi. V normálním provozu je napětí uzlu proti zemi téměř nulové. Jakmile vznikne zemní spojení např. na vedení ve fázi L3, objeví se mezi uzlem a zemí napětí U0, které je úměrné vzdálenosti x zemního spojení od uzlu, měřeno směrem ke svorkám (obr. 2.7). Ochrana měří napětí U0 přes přístrojový transformátor napětí umístěný v uzlu. Pokud není k dispozici přístrojový transformátor napětí dále jen PTN v uzlu, je možné měřit napětí 3U0 na otevřeném trojúhelníku přístrojových transformátorů napětí (obr. 2.8). Uzel vstupní hvězdy těchto transformátorů musí být uzemněn s transformátorem, kde strana VN tvoří nedílný celek. Použití napěťové ochrany postačí tam, kde je nutné vypnout celou postiženou síť a není možné ji odpojením postižené části udržet dále v chodu. Jde např. o alternátor, který pracuje v bloku V nulovém napětí se
objevuje řada vyšších harmonických, které nepříznivě ovlivňují funkci napěťové ochrany, zvláště při citlivém seřízení, kdy k dispozici přístrojový transformátor napětí dále jen PTN v uzlu, je možné měřit napětí 3U0 na otevřeném trojúhelníku přístrojových transformátorů napětí (obr. 2.8). Uzel vstupní hvězdy těchto transformátorů musí být uzemněn.
ω N = 2πf N Pro určení selektivity místa zemního spojení rozlišujeme dva případy. SOUSTAVA 3, PE, 6000 V, 50Hz, IT
L1 L2 L3
SOUSTAVA 3, PE, 6000 V, 50Hz, IT
L1 L2 L3
x U0
PE
PE
Obrázek. 2.7, Napětí uzlu při zemním spojení
Obrázek. 2.8, Připojení ochrany na otevřený trojúhelník
Použití napěťové ochrany postačí tam, kde je nutné vypnout celou postiženou síť a není možné ji odpojením postižené části udržet dále v chodu. Jde např. o alternátor, který pracuje v bloku s trans-formátorem, kde strana VN tvoří nedílný celek. V nulovém napětí se objevuje řada vyšších harmonických, které nepříznivě ovlivňují funkci napěťové ochrany, zvláště při citlivém seřízení, kdy požadujeme zachytit zemní spojení i v okolí uzlu, kdy napětí U0 je malé. Proto jsou konstruovány tak, že nejsou citlivé na vyšší harmonické.
2.3.2
Určení místa poruchového proudu pomocí nulové napěťové složky U0 a nulové proudové složky I0 – selektivní určení místa zemního spojení v izolované soustavě
Pro selektivní určení místa zemního spojení je nutno vypočítat nejprve zemní kapacitní proudy chráněného vývodu ICV a okolní připojené sítě ICS
I CS = 3ω N C OS U N I CV = 3ω N C OV U N kde
ICS – je kapacitní proud sítě, ICV – kapacitní proud vývodu, COV – kapacita jedné fáze nezatíženého vývodu, UN – jmenovité fázové napětí, ωA – jmenovitá úhlová frekvence COS – kapacita jedné fáze nezatížené sítě
2.3.2.1 Případ, kdy kapacitní proud sítě je podstatně větší než proud chráněného vývod v izolované soustavě Je-li kapacitní proud sítě větší než kapacitní proud vývodu ICS >> ICV, je vhodné použit ochranu podle obr. 2.9. Při zemním spojení na vývodu prochází v místě ochrany nulová složka kapacitního proudu sítě ICS. Při zemním spojení v síti jde z vedení nulová složka kapacitního proudu ICV. Proudová ochrana I0 > je nařízena mezi tyto dva proudy, tj. ICV < IC < ICS. Pouhá úroveň proudů v obou případech postačí k selektivitě a bzpečného určení místa poruchy. Nulovou složku zemního proudu I0 pro napojení zemní ochrany získáme z průvlekového transformátoru proudu nebo v krajním případě z tzv. Holmgreenový skupiny tří paralelně zapojených přístrojových transformátorů proudu, dále PTP. Zapojení do uzlu běžných PTP se nedoporučuje, neboť vzniká příliš velká chyba převodu PTP a ohrožuje funkci ochrany.
SOUSTAVA 3, PE, 6000 V, 50Hz, IT
SOUSTAVA 3, PE, 6000 V, 50Hz, IT
L1
L1
L2
L2
L3
L3
I0 I0
U0
PE
PE
Obrázek č.2.9: Zemní ochrana sítě s izolovaným nulovým bodem se zemním proudem ICS
Obrázek č.2.10.: Zemní ochrana sítě s izolovaným nulovým bodem
≈ ICV
se zemním proudem ICS
≈ ICV
2.3.2.2 Případ, kdy kapacitní proud sítě je porovnatelným s proudem chráněného vývodu v izolované soustavě Pokud výpočet zemních proudů ukáže, že pouhá velikost zemního proudu IC není dostatečným kritériem pro určení místa zemního spojení kdy kapacitní proud sítě je právě stejný jak kapacitní proud vývodu (ICS ≈ ICV), je nutné zemní ochranu napojit podle obr.2.10. Ochrana je založena na tom, že při zemním spojení na vývodu je síť napájena kapacitním proudem z vývodu a naopak. Je zvykem tuto směrovou ochranu nazývat jalovou ochranou.Ve skutečnosti kapacitní proud při zemním spojení má účinky proudu činného a jde v podstatě o měření činného výkonu při jednopólovém zemním spojení. Ochrana zjišťuje směr toku energie v poškozeném obvodě a působí jen při zemním spojení uvnitř vývodu. Nulová složka proudu je měřena buď Holmgreenovu skupinou, nebo průvlekovým PTP. Ochrana nesmí být zapojena do uzlu běžných PTP.
2.3.3
Omezení hodnoty poruchového proudu v izolované soustavě
Je-li soustava izolována, pak potenciál jednotlivých fází není určen přibližnou hodnotou fázových napětí, ale závisí na svodech a kapacitách odpovídajících vodičů vzhledem k zemi. Při jednofázovém zemním spojení bude mít tato fáze potenciál rovný potenciálu země a obě zbývající Pokud poruchový proud nepřekročí nastavenou mez nadproudové ochrany, může být síť zachována v provozu, bez obtíží. Obtíže nastávají je-li poruchový proud vyšší než mez stability oblouku, tj. asi 3 A. Nedostatkem sítě s izolovanou nulou je to, že zemní spojení je zdrojem přepětí, které může ohrozit zařízení sítě, zejména stroje. Zemní spojení může nastat mechanicky přerušováním a zapalováním oblouku o různých dobách trvání. Mimo to ovšem dochází k periodicky a pravidelně se opakujícím zapalováním a zhášení oblouku v každé půlperiodě základního napětí. Toto zapalování a zhášení působí nabíjení a vybíjení kapacit sítě, vyvolává vznik opakovaných přepětí kombinovaných s jevy postupných vln a vede často k opalování kontaktů vypínačů a transformátorů a k průrazu izolace strojů. V tabulce č.2.1[2] jsou uvedena přepětí při různém spojení sítí a taktéž při různém průchodu proudu nulou fáze budou mít potenciál rovnající se sdruženému napětí U2,3, popř.U1,3. Poněvadž je neutrála izolována, nepovede zde zemní spojení ke zkratu a soustava může pokračovat v provozu, neboť izolační hladina odpovídá velikosti sdruženého napětí. Z tohoto hlediska by se sítě s izolovanou nulou zdály být spolehlivějším než sítě uzemněné. Ve skutečnosti však tyto sítě mají určitou nevýhodu. S ohledem na přepěťové jevy v soustavě s izolovaným nulovým bodem nutno dbát na to, aby nedocházelo k jednopólovým zemním spojením a taktéž kapacitní proudy aby byly malé. Zabránit provozu sítě při jednopólovém zemním spojení lze jednoduchým způsobem tak, že bude funkční hlídač izolace, který kontinuálně síť kontroluje a při poklesu na minimální povolenou mez musí být slabé místo nalezeno a opraveno. Dalším způsobem omezení přepětí je to, že síť rozdělíme na více zdrojů a tím kapacitní proudy budou značně menší a bude zbráněno vzniku přepětí. Podmínkou pro druhou variantu je možnost napojení na více transformátorů. Ve většině případů to není technicky možné. Tabulka č.2.1.: Přepětí při různém spojení sítě a různém časovém průchodu proudu Přerušení zemního zkratu
V nule proudu 50 Hz
Útlum (Uf) Uzel: izolovaný (Uf) Uzel: uzemněný přes zemní tlumivku (Uf) Uzel: přímo uzemněný (Uf)
1,0 3,5
0,75 3,00
0,5 2,5
0,00 2,00
V první nule přechodového proudu 1,00 0,75 0,5 0,00 7,50 4,50 3,0 2,00
2,5
2,25
2,0
1,73
2,25
2,25
2,0
1,73
-
1,00
-
-
-
-
-
-
2.4
Ochrana před nebezpečným dotykovým napětím v izolované soustavě
Základní definice ochrany před nebezpečným dotykem v sítích s izolovaným nulovým bodem je : 1. Při jednopólovém zemním spojení nedojde k vytvoření nebezpečného dotykového napětí, 2. Omezí vznik dvojpólového zemního spojení, 3. Při dvojpólovém zemním spojení dojde k vypnutí izolačně vadné části sítě.
2.4.1 Při jednopólovém zemním spojení v izolované soustavě nedojde k vytvoření nebezpečného dotykového napětí Na obrázku 2.11 je zobrazená izolovaná soustava, která je charakterizována tím, že nulový bod napájecího transformátoru je odizolovaný od zemně. Veškeré neživé části elektrických zařízení jsou přímo uzemněny do země nebo je veden společný uzemňovací vodič, na který jsou vodivě spojeny veškeré neživé části elektrické soustavy a samotný uzemňovací vodič je uzemněn v jednom nebo více místech. V různých prostředích jsou nařízeny různé hodnoty odporu uzemnění. Dále se předpokládá, že kapacitní proud celé sítě napojené na jeden zdroj je dostatečné malý a taktéž odpor uzemnění splňuje veškeré podmínky nařízení norem a orgánů Státního odborného dozoru a je malý. Těmi dvěma podmínkami je splněno to, že nevznikne úbytek napětí na neživých částech elektrického zařízení větší než je dovolený. Při splnění výše uvedených podmínek soustava je bezpečná a také může být provozována s jednopólovým zemním spojení po dobu, pokud nedojde k nadměrnému oteplení především asynchronních elektro-motorů, které při jednopólovém zemním spojení pracují s výkonem menším o 1/3 a taktéž je více namáhána jejích izolace s hlediska průrazu proti zemi. Síť může být provozována s jednopólovým zemním spojení pokud pro určité prostory a prostředí to není zakázáno. Z analýzy této soustavy lze konstatovat, že pokud je dobře provedeno uzemnění neživých částí elektrických zařízení s potřebným malým odporem soustava je velice bezpečná, protože při zemním spojení nedochází k vytvoření úbytku napětí většího než bezpečného.
SOUSTAVA 3, PE, 6000 V, 50Hz, IT
L1 L2 L3
C3
C2
C1
R3 R2 R1
Obrázek č.2.11.: Jednopólové zemní spojení v soustavě s izolovanou nulou
T ento úkaz nastane v případě nesp lnění zák lad ních technick ých po d m ínek o chrany. 2.4.2 Omezení vzniku dvojpólového zemního spojení v izolované soustavě Soustava s izolovaným nulovým bodem při jednopólovém zemním spojení se jeví jako bezpečná se všech hledisek a pokud to není zakázané může být provozována i při jednopólovém zemním spojení. V případě vzniku zemního spojení v dalším vodiči jiné fáze dojde ke zkratu, který z hlediska ochrany neživých části proti nebezpečnému dotykovému, dále z hlediska tepelných a dynamických účinků samotného dvojpólového spojení proti zemi a taktéž působení na prostředí, ve kterém vznikne, není bezpečný a musí být neprodleně v nejkratším technicky možném čase vypnut. Aby se předešlo kovovým jednopólovým spojení se zemí a taktéž aby se omezil vznik dvojpólového zemního
spojení jsou v soustavách s izolovaným nulovým bodem instalovány hlídače izolačního stavu. Izolována síť s hlídačem izolačního stavu je zobrazená na obrázku č.2.12. Legenda: R1,2,3 … svodové odpory Z … stejnosměrný zdroj MA … miliampérmetr RG … registrační zařízení C … kondenzátor L … vazební tlumivka PE … ochranný vodič L1,2,3 … krajní vodiče.
SOUSTAVA 3, PE, 6000 V, 50Hz, IT
L1 L2
Hlídač izolace
L3 L R C
MA
RG
R3
R2
R1
Z
PE
Obrázek č.2.12.: Princip měření izolačního stavu sítě VN kontinuálním hlídačem
Hlídač izolačního stavu sítí je zařízení sloužící ke kontinuálnímu měření a registraci izolačního odporu sítí VN a k signalizaci nebo vypínání při poklesu izolačního stavu pod nastavenou mez. Zařízení pracuje na principu injektáže stejnosměrného proudu do střídavé sítě VN a měří trvale za provozu sítě ohmickou hodnotu izolačního svodu. Princip zařízení je na obr. č.2.12. Vysokonapěťová rozvodná síť napájená se síťového transformátoru má proti zemi svodové odpory R1,2,3. Zdroj pomocného stejnosměrného napětí Z je spojen jedním pólem na zem a druhým přes miliampérmetr MA, omezovací odpor R a tlumivku L na fázi L2 rozvodného systému a přes vinutí síťového transformátoru na fáze L1 a L3. Jednotlivé fáze jsou propojeny přes svodové odpory R1,2,3 na zem. Proud tekoucí do země a přes svodové odpory spět do stejnosměrného zdroje v hlídači izolačního stavu je měřený miliampérmetrem MA a je úměrný paralelně spojeným odporům R1,2,3. Kondenzátor C a vazební tlumivka L tvoří vazební člen zařízení, tj. tvoří frekvenčně závislý dělič napětí. Střídavé napětí 50 Hz se rozloží na tlumivku L a kondenzátor C v poměru impedance jednotlivých prvků, takže při vhodné velikosti L a C je střídavé napětí na kondenzátoru C nepatrné a neohrozí správnou funkci měrného zařízení. Provoz hlídače izolačního stavu je podmíněn tím, že síť VN není na žádném místě galvanicky spojena se zemí. V běžné praxe bývá v rozvodné sítí VN jedna nebo několik měřicích kobek a v těchto bývají převážně použity měřící transformátory napětí jednopólově izolované, je jejich společný uzel uzemněn. Toto galvanické spojení VN sítě se zemí musí být zrušeno. Aby bylo vyhověno bezpečnostním předpisům je nutno, buďto vyměnit jednopólově izolované měřící transformátory napětí za dvoupólově izolované a jejich uzel nezemnit, nebo provést úpravu jednopólově izolovaných měřících transformátorů napětí tak, že původně uzemněné konce primárního vinutí se odpojí od kostry, spojí se do společného uzlu a uzemní přes kondenzátor. Při vhodné velikosti kondenzátoru je uzel transformátorů pro střídavou složku 50 Hz uzemněn přes malou impedanci kondenzátorů a nevzniká tudíž mezi ním a přímo zemněnou kostrou měřícího transformátorů žádné nebezpečné napětí. Pro stejnosměrnou složku je však obvod od země galvanicky oddělen.
2.5
Vypnutí izolačně vadné části sítě při dvojpólovém zemním spojení
Dojde–li v síti s izolovaným nulovým bodem k dvojpólovému zemnímu spojení dojde k odpojení izolačně vadné části pomoci jisticích prvků zařazených do sítě, která napájí spotřebiče. Dvojpólové zemní spojení je uvedeno na obrázku č.:2.13. U VN obvodů a to především v prostředí s nebezpečím výbuchu musí být každý koncový spotřebič (elektromotor, transformátor atd.) jištěn z hlediska tepelných a dynamických účinků zkratových proudů a ochrana musí být nastavená s rezervou 25 % na dvojfázový zkrat I“kEE na konci vedení. U sítě NN koncový obvod musí obsahovat pojistku jejíž hodnota musí být čtyři krát menší v prostředí s nebezpečím výbuchu metanu a deset krát menší v ostatních prostorech, než je dvojfázový zkrat I“kEE na konci jištěného vývodu při 25 % rezervě dvojfázového zkratového proudu. Při dodržení těchto podmínek je zaručeno bezpečné odpojení poškozené části elektrického obvodu bez nebezpečí z hlediska nebezpečného dotykového napětí a taktéž z hlediska tepelných a dynamických
účinků zkratových proudů.
SOUSTAVA 3, PE, 6000 V, 50Hz, IT
L1 L2 L3
Obrázek č.2.13.: Dvojpólové zemní spojení v síti s izolovaným nulovým bodem
T ento úkaz nastane v případě nesp lnění zák lad ních technick ých po d m ínek o chrany.
2.6
Jednopólové zemní spojení v soustavě s uzemněným nulovým bodem
2.6.1 Stanovení cesty toku poruchového proudu při jednopólovém zemním spojení v soustavě s uzemněným nulovým bodem Účely jednopólového zemního spojení v soustavě s uzemněným nulovým bodem požívány pro ochranu před nebezpečným dotykovým napětím neživých částí především v sítích NN. Jsou zde uvedeny proto, že ostatní níže uvedené ochrany pracují z části na principu „ochrany nulováním“, vyjma zapojení přes Bauchův transformátor. Na obrázku č. 2.13 je zobrazená síť s přímo uzemněným nulovým bodem. Na obrázku č.2.14 je zobrazen tok poruchového proudu při jednopólovém zemním spojení.
2.6.2 Stanovení hodnoty poruchového proudu Poruchový proud při jednopólovém zemním spojení v soustavách s nízkoimpedančním uzemněním nulového bodu (pravě kovové spojení, počítá se také oblouk) musí být vypočítán jako jednofázový zkrat I“k1. Metodiky výpočtu jsou předmětem norem a dalších nařízení. Praxe ukazuje, že jednofázové zkraty na straně NN a to především u soustavy TN 230/400 V se běžně nepočítají. Nutnost výpočtu jednofázového zkratu spočívá kromě proudových a dynamických účinků zkratových proudů především pro zjištění parametrů o nezávadné funkčnosti ochrany proti nebezpečnému dotykovému napětí neživých části elektrického zařízení.
2.6.3 Omezení hodnoty poruchového proudu Omezovacích prvků poruchového proudu v soustavách TN je značné množství. Od pojistek všeho druhu, jističů, až po proudové a napěťové chrániče. U pojistek a jističů čas vypnutí závisí na hodnotě poruchového proudu a časových možnostech daného přístroje. U chráničů je hodnota proudu a čas vypnutí stanovená taxativně. Doposud řáden přístroj nepřekonal vlastnosti pojistek, které z hlediska schopností omezení zkratových proudů nebyly překonány.
2.6.4 Ochrana před nebezpečným dotykovým napětím Při dotyku fáze proti zemi vzroste napětí nulového vodiče a není-li izolován, může dojít k úrazu. Napětí nulového vodiče je na různých místech vedení různé vzhledem k uzlu transformátoru, na rozdíl od spojení fáze se zemí, kdy napětí nulového vodiče proti zemi je všude stejné. Jeho velikost je určena poměrem odporu fáze k odporu nulového vodiče. Dotykové napětí nulového vodiče závisí hlavně na tom, jak je uzemněn. Je-li nulový vodič uzemněn jen v uzlu transformátoru, pak bude platit
I=
Uf Z
kde Z je impedance proudového obvodu mezi uzlem a stykem fáze s nulovým vodičem, který se skládá z činných a indukčních odporů transformátoru a vedení. Indukční odpory vedení a transformátoru však obvykle zanedbáváme. Při zkratu mezi fází a nulovým vodičem vzniká tak na proudovém okruhu úbytek napětí
(
U f = I R f + Rn
)
kde I Rn, je úbytek napětí v nulovém vodiči a zároveň napětí proti zemi. Toto napětí je největší v místě zkratu a klesá směrem k uzlu. U d = IRn = U f
Rn R f + Rn
Uzemněním uzlu neprochází žádný proud, a proto je uzel bez napětí. Dotykové napětí bude tím menší, čím menší je odpor nulového vodiče v poměru k celkovému obvodu proudového okruhu. Při stejných odporech nulového a fázového vodiče bude úbytek v obou vodičích stejný. Napětí nulového vodiče v místě dotyku je pak U/2. Má-li být dotykové napětí nejvýše 50 V, pak nulový vodič musí být přibližně (220-50) / 50= 3,4 x silnější než fáze. Takové dimenzování by ovšem bylo nehospodárné, a proto se průřezy jak fází, tak i nulového vodiče volí obvykle stejné, čemuž odpovídá příliš vysoké dotykové napětí a je třeba, aby v tomto případě došlo k odpojení místa poruchy v dostatečně krátkém čase. Dobře navržený rozvod má na konci vedení proud 10 x větší od přiřazené pojistky.
2.6.5
Ochrana před tepelnými a dynamickými účinky poruchových proudů
Ochrana před tepelnými a dynamickými účinky poruchových proudů je stejná jak je uvedeno v odstavci 2.3.2.
2.7
Jednopólové zemní spojení v soustavě s nepřímo uzemněným nulovým bodem přes tlumivku
2.7.1 Stanovení cesty toku poruchového proudu při jednopólovém zemním spojení 2.7.2 Stanovení hodnoty poruchového proudu Proud procházející dvěma kapacitami zdravých fází Ce1 a Ce2 (Ce1 = Ce2 = C) je roven 3ωCU 3 a je opožděn o π / 2 za napětím U3. Jestliže zanedbáme ohmické a indukční úbytky napětí s výjimkou indukčnosti tlumivky L, pak nulový uzel bude mít proti zemi napětí U3 a proud procházející tlumivkou L do země bude roven TR
L
SOUSTAVA 3, PE, 6000 V, 50Hz, IT
C3
C2
L1
TR
SOUSTAVA 3, PE, 6000 V, 50Hz, IT
L2
L3
L3
C1
Ce3 L
IL
Ce2 Ce1
IC
PE
Obrázek č.2.14 Kompenzovaná síť tlumivkou
U3/ ωLN a bude opožděn proti napětí U3 a
π 2
L1
L2
PE
Obrázek č.2.15 Jednopólové zemní spojení v sítí kompenzované tlumivkou
tj. bude mít obrácený smysl než kapacitní proudy 3ωCu 3 . Aby se
jalové a kapacitní proudy vyrovnaly, což vede k podmínce i3 = 0, je třeba, aby byla rovnost mezi oběma proudy podle vztahu
U3
ωLN
= 3ωCU 3
Odkud L =
1 3ω 2C
což znamená, že indukčnost tlumivky je v rezonanci s dílčí kapacitou tří vodičů sítě vzhledem k zemi. Ve skutečnosti však různé indukčnosti jako rozptylové indukčnosti transformátorů, generátorů a vedení
spolupůsobí na indukčnost tlumivky a je možno k nim poměrně snadno přihlédnout přitom budeme i dále zanedbávat činný odpor. Budiž Lv indukčnost jedné větve zahrnující indukčnost generátoru, rozptyl transformátoru i indukčnost vedení. Proudy jednotlivých větví budou I1, I2, I3 a IL proud procházející tlumivkou. Předpokládejme dále, že C13 = C23 = Ce3, a že k uhašení oblouku je třeba splnit podmínku I + I1 + I2 = 0. Poněvadž proud ve větvi 3 bude nulový a fáze 3, bude mít nulový potenciál a vzroste potenciál uzlu na fázové napětí U3. Ve zbývajících dvou fázích a v tlumivce budou platit vztahy
U 2 − U 3 = jωLv I 2 − j U1 − U 3 = jωLv I1 − j
I2
ωC I1
ωC
−U 3 = jωL I L Řešením těchto tří rovnic dostaneme
L =
I 3ω C 2
−
Lv 3
Z toho vyplývá, že indukčnost zhášecí cívky je třeba zmenšit o jednu třetinu indukčnosti jedné větve. Tato oprava je však poměrně malá. Kromě toho různé činné odpory vedení, zemního spojení a tlumivky nedovolují aby proud I3 v místě dotyku vodiče se zemí byl přesně roven nule. Tato okolnost však nepůsobí obtíže, neboť zbytkový proud je nižší než 40 až 50 A a snadno se tedy zháší. Stejně tak malá asymetrie kapacit Ce1 a Ce2 , jakož i nepřesnost regulace indukčností v mezích 10 až 15 % neohrožuje uhašení oblouku [2]. Skutečný proud v místě poruchy je vzhledem k ostatním impedancím velký, řádově 1 000x větší než impedance obvodu a 200x větší než impedance tlumivky, takže činný proud je velmi malý a jalový proud je 3 až 4 % proudu jmenovitého a asi 1 % proudu místa poruchy při účinném uzemnění uzlu [2].
2.7.3 Omezení hodnoty poruchového proudu Princip omezení hodnoty poruchového proudu je ten, že tlumivka zapojená mezi uzel a zem se seřídí tak, aby jalový proud procházející touto cívkou se nevracel přes kapacity zdravých fází, potlačil zkratový proud na nulu a aby tak došlo k úplnému uhašení oblouku.
2.7.4 Ochrana před nebezpečným dotykovým napětím Podle zkušeností zaručuje Petersonova tlumivka s vhodnou regulací např. o rozsahu 10 až 15 % kapacity sítě dokonalé zhášení elektrického oblouku a dovoluje provoz vedení při spojení se zemí po dobu, na kterou je dimenzována, např. dvě hodiny. Jednou z výhod Petersonovy tlumivky je okolnost, že snižuje počet vypnutí sítě, a tedy počet funkcí vypínače. To prodlužuje jeho životnost. Mimoto není třeba počítat s opětným zapínáním. Použití Petersonovy cívky však nesnižuje podstatně nebezpečí dotyku, neboť již proud 0,1 A v obvodu zahrnujícím lidské srdce vede obvykle ke smrti. U kabelových sítí se velmi málo vyskytují přechodné poruchy a proto se původně počítalo s použitím Petersonových tlumivek pouze u venkovních sítí. Brzy se však ukázalo, že zkraty 100 až 200 A v kabelových sítích s izolovanou nulou vedou k velkým přepětím a ke vzniku simultánních zkratů. Přikročilo se proto k účinnému uzemňování uzlu. Avšak i při sebekratším trvání zkratu docházelo v tomto případě následkem velkých proudů k vážným poruchám jako k prorážení olověného pláště, k porušení spojů, k prorážení vodovodů a plynovodů atd. Četná poškození olověného pláště vedla k rychlému stárnutí kabelové sítě. Proto se dnes i v kabelových sítích používá kompenzace pomocí Petersonovy tlumivky. Jejím použitím bylo umožněno pokračovat v provozu při zemním spojení a potlačit přepětí při provozu s izolovanou nulou a nadproudy při účinném uzemnění uzlu. Poruchové proudy kabelové sítě o délce 900 km kabelů při napětí 10 kV nepřekračují 10 A. Principiálně se pokračuje v provozu po neomezeně dlouhou dobu, až se najde porucha [2]. 2.7.5 Ochrana před tepelnými a dynamickými účinky poruchových proudů Ochrana před tepelnými a dynamickými účinky poruchových proudů je stejná, jak je uvedeno v odstavci 2.3.2.
2.8
Jednopólové zemní spojení v soustavě s nepřímo uzemněným nulovým bodem přes odpor
2.8.1 Stanovení cesty toku poruchového proudu při jednopólovém zemním spojení Cesta toku poruchového proudu při jednopólovém zemním spojení v síti, nepřímo uzemněné přes činný odpor je složitější než v ostatních případech. Tok proudu je zobrazen na obrázku č.2.17. Proud od místa poruchy – blesk pokračuje dvěma směry a to: ֘
Přes kapacity sítě zdravých fází do cívek transformátoru a na místo poruch – červené šipky
֘
Dále k činnému odporu a přes poškozenou fázi k místu poruchy – modré šipky
Odporem RN také tečou kapacitní proudy z ostatních vývodů – žluté šipky.
2.8.2 Stanovení hodnoty poruchového proudu Pro síť s jednopólovou poruchou zobrazenou na obr. 2.16, platí náhradní schéma na obrázku č.2.17, ze kterého lze určit poruchový proud i jednotlivé fázové proudy. U sítí s odporově uzemněným uzlem není možné zanedbávat odpory obloukových poruch a kapacity vedení. Mnohdy však je možné zanedbat reaktance některých jejich částí, případně sousledné impedance. Pro proud poruchy platí vztah
Ip =
3 ⋅ Uf 2Z 1 + Z 0 + 3Rp
kde Uf – fázové napětí sítě Z1 – výsledná sousledná složková impedance sítě vztažená k místu poruchy Z0 – výsledná nulová složková impedance sítě vztažená k místu poruchy Rp – přechodový odpor poruchy Ve většině případů však můžeme vycházet ze zjednodušených náhradních schémat a vztahů. Proud postiženou fází sestává z poruchového proudu Ip, proudu zátěže IRzátl a vlastního kapacitního proudu IRC1. U proudu zátěže lze u odporově uzemněných sítí vn předpokládat, že se při jednopólové poruše v podstatě nemění (Zsdr se taktéž prakticky nemění).
I
R1
= I P + I Rzátl + I RC1
2.8.3 Omezení hodnoty poruchového proudu Poruchový proud omezuje a snižuje, zařazení odporu vhodné velikosti mezi uzel sítě a zem. Při jeho zařazení jsou proudy jednopólových poruch omezovány na takové hodnoty, které jsou postačující pro činnost jednoduchých ochran, a které jsou přitom přípustné s ohledem na hospodárné dimenzování uzemnění v síti a další účinky zkratových proudů. Vzhledem k velikosti těchto proudů je nutné jejich rychlé vypínání. Provoz se zemní poruchou, jako u kompenzovaných sítí, není možný. Zařazením činného odporu do uzlu sítě dochází k lepšímu tlumení přechodných jevů a spínacích přepětí, hlavně při vzniku zemních poruch. Společně s rychlým vypínáním všech zemních poruch se zařazení odporníku projevuje tak příznivě, že u těchto sítí prakticky nedochází k vícenásobným poruchám a přerušovanému zemnímu spojení. Největší část poruch je vypínána jako jednopólové poruchy s proudy, které se svou velikostí blíží proudům provozním.
Zot
Z1v1, Z0v1,
IR1
R
IRzat1
IS1
S
IRzat2
IT1
T
IRzat3
IΣ1 C1e3 C1e2
C1e1
RN Rp
Ipor PE
R
IΣ2
IR2
S
IS2
T
IT2 C2e3
C2e2
C2e1
Obrázek č.2.16.:Poruchové proudy při jednopólovém zemním spojení v soustavě uzemněné přes odpor
U
Z1v1
Rp
Z2t
Rp
Z2v1
3RN
Zc
Zot
Zzát Rp
Zov1
Zc U0příp
Obrázek č.:2.17 Náhradní schéma sítě s poruchou
2.8.4 Ochrana před nebezpečným dotykovým napětím Pro ochranu před nebezpečným dotykovým napětím platí stejné podmínky jak u sítě s přímo uzemněným nulovým bodem. V podstatě jde o vypínání jednofázových zkratů s rozlišením směru poruchy a vlivu kapacitního proudu soustavy. Velikost a účinek dotykového napětí závisí na odporech uzemnění a taktéž na rychlosti odpojení vadné části elektrické sítě. 2.8.5 Ochrana před tepelnými a dynamickými účinky poruchových proudů Ochrana před tepelnými a dynamickými účinky poruchových proudů je stejná, jak je uvedeno v odstavci 2.3.2. 2.9 Jednopólové zemní spojení v soustavě s nepřímo uzemněným nulovým bodem přes Bauchův transformátor Bauchův zhášecí transformátor je na obr. 2.18. Skládá se z primárního vinutí spojeného do hvězdy a připojeného paralelně k vývodům generátoru a ze sekundárního vinutí spojeného do trojúhelníka, který se uzavírá přes vloženou regulovatelnou indukčnost LN. Označíme-li poměr závitů primárního a sekundárního vinutí m=N1/n2 vidíme, že se Bauchův transformátor chová jako Petersonova cívka připojená k transformátoru s převodem m/3.
Podmínkou uhašení oblouku je, že
I N, = 0.
Proud v sekundárním vinutí zhášecího transformátoru je tedy roven proudu, který by procházel Petersonovou cívkou, napájenou proudem transformátoru o poměru m/3. Bauchův transformátor plní stejnou funkci jako Petersonova cívka. Jeho výhodou je, že zkratové proudy neprocházejí vinutím generátoru a že u něho nehrozí takové nebezpečí rezonance jako u Petersonovy cívky. Oproti tomu je nepoměrně nákladnější, zejména u vyšších napětí. To je hlavní důvod, proč se jeho používání v praxi nerozšířilo.
2.10
Krokové napětí krokové a dotykové napětí
Zkratové proudy, které probíhají zemí, způsobují úbytky napětí podél zemnicích odporů stanic, zařízení a stožárů venkovních vedení. Tím se vytvářejí v okolí zemničů úbytky napětí, které mohou dosáhnout velikosti až několik kV. Průběh rozložení potenciálu kolem zemniče je znázorněn na obr 2.19. Kráčí-li v blízkosti zemniče člověk nebo zvíře, může vzniknout mezi jeho nohama takový potenciální rozdíl, že může projít tělem dostatečně velký proud a tím dojít k úrazu elektrickým proudem. Obdobný případ může nastat při dotyku kostry uzemněného zařízení člověkem. Mluvíme proto o krokovém a dotykovém napětí, jejich nejvyšší přípustné meze jsou uvedeny v příslušných normách. Omezení potenciálních spádů kolem zemnících elektrod na zcela bezpečnou mez naráží na ekonomické potíže. Je však možné je upravit, tak, aby průběh potenciálního spádu ϕ byl dostatečně plochý a snížila se pravděpodobnost nebezpečného krokového a dotykového napětí na dovolenou mez. Toho lze dosáhnout usměrněným rozložením potenciálního spádu. Toho lze dosáhnout usměrněným rozložením potenciálního spádu. SOUSTAVA 3, PE, 6000 V, 50Hz, IT
U1 U2 U3
I´N LN
Obrázek č.2.18.: Zhášecí transformátor
UST
UST
ϕ
USS
UE
Referenční zem(v dostatečné vzdálenosti
UTSTE UTST E
E
Bez rozložení potenciálu
S rozložením Kabel s celistvým pláštěm po celé potenciálu délce izolovaný, ale na obou koncích holý. Plášť je v rozvodně spojen se zemí.
Obr. 2.19 - Krokové a dotykové napětí
Legenda: E S1 ,S2 ,S3 UE USS UST
E
Zemnič Zemniče pro rozložení potenciálu připojeného na zemnič E Nárůst potenciálu zemniče Zdrojové krokové napětí Zdrojové napětí pro dotyk
UTST UTSTE ϕ
Zavlečené zdrojové napětí pro dotyk, není-li plášť uzemněn na vzdáleném konci Zavlečené zdrojové napětí pro dotyk, je-li plášť také uzemněn na vzdáleném konci Potenciál povrchu země
Napětí v okolí zemničů se zmenšuje se zvětšeným počtem zemních elektrod, tj. zmenšením proudu procházejícího elektrodou, uložením elektrod ve větší hloubce, izolováním zemního svodu a vhodným uspořádáním elektrod tak, by napětí v zemi ubývalo pozvolna a stejnoměrně jako rozvedením potenciálu a mřížovými zemními sítěmi.
Literatura L.Reiss a kol. Teoretická elektroenergetika I, SNTL Praha, 1977 L.Reiss a kol. Teoretická elektroenergetika II, SNTL Praha, 1979 M.Hudeczek, J.Niezgoda, Jednopólové zemní spojení v sítích s izolovaným nulovým bodem a jeho kontrola, Důl 1máj,k.p. Karviná, 1988
